Ресеарцх

Немогући сценарио: научници су посматрали кретање топлоте брзином звука

Риан Дунцан се смрзнуо. Управо је спровео нови експеримент како би проучио обични графит - онај исти, њихов оловку за оловке -, али резултати су изгледали физички немогући: топлота, која се обично распрши полако, пролази кроз графит брзином звука. То је попут стављања лонца са водом на топлу пећ и уместо одбројавања дугих минута док вода не прокључа, посматрајте како кључа одмах.

Колико брзо се топлота шири?

Није чудо што је Дунцан, студентМИТ, нисам могао да верујем својим очима. Да бих се увјерио да није погријешио, морао сам још једном провјерити све што се налази у инсталацији, поново покренути експеримент и организирати добру паузу. „Покушао сам да спавам, знајући да још неколико сати нисам могао да утврдим да ли је експеримент успешан или не, али било је прилично тешко прекинути везу“, присећа се он. Када је следећег јутра зазвонио Дунцанов будилник, потрчао је до рачунара у пиџами и погледао нова мерења. Резултати су били исти: врућина се кретала невероватно брзо.

Дунцан је резултате свог рада објавио уСциенце Јоурнал. Овај феномен, познат као „други звук“, одушевљава физичаре - делом зато што може да отвори пут напредној микроелектроники, а делом зато што је врло чудан феномен.

Да бисте разумели, само замислите колико је топлокреће се кроз ваздух. Носе га молекули који се непрестано сударају и расипају топлоту у свим смеровима: напријед, у страну, па чак и натраг. Ова основна неефикасност чини проводљивост топлоте релативно спором (радијациона топлота се, у поређењу, креће брзином светлости у облику инфрацрвеног зрачења). Иста спорост постоји за топлоту која се креће кроз чврсту супстанцу. Овде фонони (пакети акустичке вибрационе енергије) преносе топлоту попут молекула у ваздуху, омогућавајући јој да се распрши у свим правцима и полако пропада. „То је помало попут стављања капи боје за бојање у воду и пуштања да се пролива“, каже Кате Нелсон, саветница Дунцана у МИТ-у. "Не помера се равно, попут стреле, од места удара." Али управо је то последица Дунцан добио од експеримента. У другом звуку, потискивање фонона било је снажно потиснуто, услед чега је топлина пуцала према напријед. Покрет је таласан. „Ако сте у базену и покренете талас од себе, напустиће вас. Али због врућине то је ненормално понашање. "

Други звук је први пут откривен у течном хелијумуПре 75 година и после тога у још три чврсте супстанце. „Сви знакови су указивали да ће бити ограничена на малу количину материјала и појавити се на врло ниским температурама.“ Научници су сматрали да је у застоју. Није било јасно шта би други звук могао бити другачији од научне изјаве, тако да је ово подручје дужи низ година без вести.

Међутим, значајна побољшања у бројчанимаСимулације су помогле оживљавању овог подручја пре око пет година, а научници су препознали да је овај феномен можда чешћи. На пример, Ганг Цхен, инжењер са Технолошког института у Масачусетсу, могао је да предвиди да ће се други звук очитовати у графиту на прилично благим температурама. Ово предвиђање наплатило је Дунцана, који га је тестирао и, на крају, дошао до сукобљених резултата.

Прво, Дунцан је уклањао топлоту у узорку.графит, користећи две укрштене ласерске зраке за стварање интерференцијског узорка - наизменична светла и тамна подручја која одговарају гребенима и коритима супротних светлосних таласа. Испрва су гребени грејали графит, а удубине су остале хладне. Али чим би Дунцан морао да искључи ласере, слика би требало да се почне полако мењати, а топлота струјати од врућих гребена до хладних удубљења. Експеримент би дошао до свог краја када би цео узорак постигао једнолику температуру. Барем се то обично догоди. Али када су ласери престали да светлују, графит је имао друге планове: топлота је и даље текла све док врући гребени нису постали хладнији од корита. Као да је плоча залеђена у тренутку када сте је искључили и није се постепено охладила до температуре околине. "То је чудно - врућина то не би смела учинити."

И свакако то не би требало чинити на тако високом нивоутемпературе. Дунцанов експеримент је такође омогућио утврђивање границе високе температуре на којој се појављује други звук: око 120 Келвина - више од 10 пута већи него током претходних мерења.

Какве су практичне примене такви резултатиДа ли бисте пронашли у будућности? Прво, практичне су температурне манипулације, а не криогено хлађење. Друго, графит је веома чест материјал. Ова два својства ће помоћи инжењерима да преброде акутни проблем управљања топлотом у микроелектроники. Замислите само да ће се топлина распршити брзином звука, омогућавајући материјалима и уређајима да се много брже хладе.

О отварању можете разговарати у нашем цхату у Телеграму.